摘要:育秧缽制造系統(tǒng)是用來(lái)制造林業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所應(yīng)用的育秧缽的系統(tǒng)。為保證種子的發(fā)芽率和成活率且移栽方便，并能提高生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平，設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)伺服的多品種育秧缽制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過(guò)機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)識(shí)別不同種類的種子，從而制造出不同型號(hào)的育秧缽，且該農(nóng)機(jī)能夠滿足不同種子對(duì)育秧缽?fù)寥谰o實(shí)度的要求。系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上增加了播種功能及可拓展配置缽體倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)缽體的保濕存儲(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞:視覺(jué)伺服;多品種育秧缽制造系統(tǒng)

　　1前言

　　20世紀(jì)70年代，我國(guó)開(kāi)始了對(duì)育秧制缽機(jī)機(jī)械化研究，截至目前，已開(kāi)發(fā)并研制了許多種類的制缽機(jī)。“七五”期間，我國(guó)首次引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的自動(dòng)化育秧生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線主要負(fù)責(zé)農(nóng)作物的育秧制缽工作。“八五”期間，通過(guò)對(duì)“盤(pán)苗設(shè)備及配套技術(shù)”的研究，使得“精密播種生產(chǎn)線”等先進(jìn)設(shè)備得以發(fā)展，這批設(shè)備主要用于農(nóng)作物育秧缽的制造。

　　“九五”期間，國(guó)家科委將“機(jī)械化制缽機(jī)的研制”這一課題列為主要攻關(guān)項(xiàng)目，在這一期間研制出了ZB50型機(jī)械化制缽機(jī)。該款制缽機(jī)所制造的營(yíng)養(yǎng)缽能夠大大地滿足云杉等植物及玉米、瓜果等經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物的種植移栽要求，逐步使缽體的制造達(dá)到機(jī)械化水平。目前，我國(guó)涉獵這方面的研究越來(lái)越多，但對(duì)于育秧缽自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍處于發(fā)展階段。

　　基于視覺(jué)伺服的多品種育秧缽制造系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的作物種子制造出不同規(guī)格的育秧缽并進(jìn)行播種和覆土，效果很好。為實(shí)現(xiàn)作物種子的分類，該系統(tǒng)采用帶光線補(bǔ)償?shù)臄z像頭獲取作物種子圖像，通過(guò)樹(shù)莓派嵌入式微處理器進(jìn)行圖像處理。采用atmega328P嵌入式微處理器與樹(shù)莓派通信，進(jìn)而控制下層伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作。制成的成品育秧缽可直接移栽培育幼苗，無(wú)須人力進(jìn)行播種和覆土，可滿足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)缽體規(guī)格的靈活要求。

　　2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求

　　通過(guò)對(duì)多種制缽機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工序及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，以滿足農(nóng)作物育秧和秧苗成長(zhǎng)環(huán)境的基本要求作為最基本的出發(fā)點(diǎn)，得出最符合要求的工序?yàn)?填料加底土———壓緊并打出播種凹坑———播種———覆土———再壓實(shí)———缽體脫模。此種工序最明顯的優(yōu)點(diǎn)是:在先后兩次壓實(shí)土壤的工序之間進(jìn)行了先播種后覆土的工作，這樣，第二次覆土操作對(duì)種子起到了保護(hù)作用，有效避免了種子受到機(jī)械損傷。

　　更加重要的是，兩次覆土工作為種子的發(fā)芽和秧苗的培育創(chuàng)造了優(yōu)良的成長(zhǎng)環(huán)境。凹坑下端的營(yíng)養(yǎng)土受到兩次壓實(shí)而變得比較結(jié)實(shí)，有利于缽體的沖出、移動(dòng)和移栽等。而凹坑上端的營(yíng)養(yǎng)土只經(jīng)歷了一次壓實(shí)，土壤比較松軟，有利于種子的發(fā)芽與成長(zhǎng)。

　　2.2拌料、填料

　　將已經(jīng)配好肥料的土壤倒入填料攪拌箱和覆土攪拌箱內(nèi)，利用攪拌器對(duì)其進(jìn)行繼續(xù)攪拌，并通過(guò)攪拌流入模孔中，然后把多余的土壤刮平。攪拌器所做的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)阻止了營(yíng)養(yǎng)土的停歇狀態(tài)，使土壤不斷地被攪動(dòng)，該制缽機(jī)的模孔轉(zhuǎn)盤(pán)憑借齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)連續(xù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

　　2.3物料輸送和工序轉(zhuǎn)移

　　根據(jù)育秧缽的加工工序，模孔轉(zhuǎn)盤(pán)上的模孔數(shù)要設(shè)為9個(gè)，其作用和用途分別為待料模孔、填料模孔、沖壓成型模孔、播種模孔、覆土模孔、二次沖壓模孔、沖出模孔等等，其中，沖壓成型、二次沖壓和沖出動(dòng)作都是沖頭在跟隨轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，工序的轉(zhuǎn)換也是通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　2.4缽體的成型和沖出

　　為簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，將兩次沖壓沖頭和沖出沖頭由同一個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)，3個(gè)沖頭在偏心輪的帶動(dòng)下做上下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)及隨著轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的周向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)缽體的沖壓成型和沖出。由于沖壓和沖出所需要的行程不同，所以3個(gè)沖頭雖然運(yùn)動(dòng)軌跡類似，但長(zhǎng)度不同，其長(zhǎng)度和缽體的大小與轉(zhuǎn)盤(pán)的尺寸及土壤壓縮比有關(guān)。

　　2.5播種和覆土

　　缽體的第一次沖壓成型和第二次沖壓之間應(yīng)設(shè)有播種和覆土機(jī)構(gòu)，播種機(jī)構(gòu)和連桿緊固在一起，隨著沖頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。第一次沖壓成型后，缽體退出模孔升高的過(guò)程中帶動(dòng)播種機(jī)構(gòu)中的推桿一起升高，推桿底端設(shè)有可漏過(guò)1顆丸粒化種子的孔眼，當(dāng)連桿運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，就會(huì)漏過(guò)一顆種子，直接落入缽體凹坑內(nèi)。覆土機(jī)構(gòu)與填料攪拌器的結(jié)構(gòu)一致，都是通過(guò)攪拌器的回轉(zhuǎn)、土壤的重力及流動(dòng)性來(lái)完成。

　　2.6協(xié)調(diào)配合關(guān)系與整體設(shè)計(jì)

　　為使該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)定的功能，要求各個(gè)機(jī)構(gòu)(包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及其他輔助機(jī)構(gòu))之間滿足一定的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系，完成功能的同時(shí)還不能發(fā)生干涉。由于機(jī)構(gòu)的模孔轉(zhuǎn)盤(pán)為連續(xù)回轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此3個(gè)沖頭在缽體沖壓成型和缽體沖出的過(guò)程中要能夠與轉(zhuǎn)盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而且在完成沖壓和沖出的動(dòng)作后，應(yīng)能立即回到原始位置，繼續(xù)接下來(lái)的循環(huán)動(dòng)作。

　　另外，沖頭在行程結(jié)束時(shí)(即沖頭在進(jìn)行沖壓和沖出動(dòng)作之前)，要能夠精準(zhǔn)地與轉(zhuǎn)盤(pán)上的模孔相配合，從而使沖頭的沖壓與沖出工作準(zhǔn)確進(jìn)行。因此，要求帶動(dòng)沖頭做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以及帶動(dòng)模孔轉(zhuǎn)盤(pán)做連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪機(jī)構(gòu)，具有精準(zhǔn)的速度比和傳動(dòng)精度。

　　3硬件設(shè)計(jì)

　　3.1伺服控制模塊設(shè)計(jì)

　　目前開(kāi)發(fā)所用的單片機(jī)種類繁多，其性能各有千秋。在選用單片機(jī)時(shí)，首先需要考慮其完成任務(wù)的復(fù)雜程度，并且根據(jù)任務(wù)的復(fù)雜程度，綜合分析所選單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線寬度、尋址能力、中斷能力、指令系統(tǒng)和執(zhí)行效率等功能，確保這些功能可使任務(wù)順利完成。在此育秧缽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用atmega328P單片機(jī)。atmega328P的控制核心是AVR高速單片機(jī)ATmega8。AVR單片機(jī)是新一代基于架構(gòu)的高速RISC微控制器，具有速度快、價(jià)格低、可靠性高、I/O口線驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和片內(nèi)集成外設(shè)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。

　　3.2串行通信

　　串行通信具有節(jié)省傳輸線的優(yōu)點(diǎn)，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)位數(shù)很多及需要遠(yuǎn)距離傳送時(shí)，這一優(yōu)點(diǎn)更加突出。計(jì)算機(jī)與外界傳送數(shù)據(jù)大多數(shù)采用串行方式，其傳輸距離可從幾米～幾千米，因此該設(shè)計(jì)選用串行通信MAX232。RS-232在異步串行數(shù)字通信中被廣泛使用，由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA公布并修訂而成，成為計(jì)算機(jī)與桌面設(shè)備之間最簡(jiǎn)單、有效、通用的連接通道之一。

　　但近年來(lái)出現(xiàn)了許多單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，其中最為流行的是MAXIM公司的MAX232芯片，它提供4路轉(zhuǎn)換通道，其中兩路用于將RS-232電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平，另外兩路用于將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232信號(hào)。MAX232芯片具有完成電平轉(zhuǎn)換、實(shí)現(xiàn)串行通信的功能。該芯片外圍需接4個(gè)1μF/25V的電解電容，以滿足內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需。

　　4軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)方面:采用模塊化系統(tǒng)來(lái)提高開(kāi)發(fā)效率。將軟件系統(tǒng)分成若干個(gè)程序子模塊，每1個(gè)子模塊都有著各自不同的功能，并且程序子模塊之間分別進(jìn)行編程和調(diào)試。為有效提高軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，伺服控制系統(tǒng)仍采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)軟件為arduino和Python，使用C語(yǔ)言和Python語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。利用開(kāi)發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)，可使編程工作量大幅減少，還便于軟件的維護(hù)和修改。整體系統(tǒng)主要包括上層的圖像處理程序，下層的伺服控制程序。

　　圖像處理方面:首先要將攝像頭獲取的圖像進(jìn)行濾波去噪，獲得較高質(zhì)量的圖像。然后采用模板匹配方法，將獲取的圖像與事先制作好的圖像模板進(jìn)行匹配。或采用獲取多幅不同條件的圖像進(jìn)行主成分分析，獲得統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，判斷種子類別。伺服控制方案的確立是由Atmega328P系統(tǒng)通過(guò)串口與樹(shù)莓派圖像處理模塊相連接，獲取圖像處理的結(jié)果，實(shí)時(shí)處理獲取的種子類別信息，并驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)動(dòng)作，選擇和種子類別對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行育秧缽的制造。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　采用機(jī)器視覺(jué)識(shí)別種子類型可提高生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確率。采用伺服控制可提高生產(chǎn)力、解放重復(fù)的人力勞動(dòng)以及生產(chǎn)不同規(guī)格的缽體，從而在實(shí)際應(yīng)用中提高生產(chǎn)效率和減少生產(chǎn)成本。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，可用于大型育苗生產(chǎn)基地的幼苗培育，也可用于小型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚的幼苗培育，具有應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

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　　農(nóng)業(yè)方向刊物推薦：《農(nóng)機(jī)化研究》(月刊)創(chuàng)刊于1979年，由中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化分會(huì)、黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)、黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院主辦。自創(chuàng)刊以來(lái)，歷屆編委及編審人員以交流大農(nóng)業(yè)概念下(包括農(nóng)、林、牧、副、漁)的機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化的學(xué)術(shù)、科研成果以及與之相關(guān)的綜合性述評(píng)為辦刊宗旨，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，使本刊的知名度與學(xué)術(shù)地位日漸提高。